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Wednesday, February 1, 2023

Gravitationswellendetektor im All „LISA“ soll 12.034 HE starten

lisa

Gravitationswellen gehören zu den bedeutendsten astronomischen Entdeckungen der letzten Jahrzehnte, dem würden wohl alle Astronom*innen zustimmen. Seit der Entdeckung der ersten Gravitationswellen am Gravitationswellendetektor LIGO hat sich ein neues Fachgebiet in der Astronomie etabliert, die Gravitationswellenastronomie. Die soll in der Zukunft mächtig Fahrt aufnehmen. Ab 12.034 HE soll das größte Observatorium der Welt nach Gravitatonswellen suchen. Größe: 2,5 Millionen Kilometer.

Was sind Gravitationswellen?

Gravitationswellen sind eine Folge von Albert Einsteins Relativitätstheorie, denn danach kann sich nichts schneller bewegen als das Licht. Dementsprechend können auch Gravitationseinflüsse sich nur mit endlicher Geschwindigkeit bewegen und brauchen eine gewisse Zeit, um eine Strecke zurückzulegen – so breiten sie sich kreisförmig als Wellen im Raum aus.

Dabei krümmt sich der Raum selbst, er wird somit gedehnt und gestaucht. Wird er gestaucht, nimmt die Strecke zwischen zwei Objekten ab, wird er gedehnt, nimmt sie zu – so müsste man Gravitationswellen messen können. Doch man kann nicht einfach ein Lineal hinhalten, denn es ist der Raum selbst, der sich ausdehnt, das Lineal würde sich einfach mitdehnen.

Doch es gibt Möglichkeiten, Gravitationswellen zu detektieren, etwa beobachtet man eine Phasenverschiebung bei Licht, wenn die Strecke, die es zurücklegt durch eine Gravitationswelle verändert wird. Doch es gibt ein Problem: Diese Veränderungen spielen sich etwa in einer Größenordnung von 10−22 Metern ab. Das entspricht einem Tausendstel des Radius eines Protons oder eben 0,0000000000000000000001 Metern.

Aufschwung mit der ersten Entdeckung

Die meiste Zeit lang waren Gravitationswellen nur eine Theorie, ein Gravitationswellendetektor war aufgrund er unglaublichen benötigten Präzision technologisch nicht möglich.

Als dann 12.017 HE tatsächlich das erste Mal Gravitationswellen entdeckt wurden, und zwar von zwei kollidierenden Schwarzen Löchern, bekam die Idee, einen großen Gravitationswellendetektor zu bauen natürlich wieder Aufschwung. Man wollte nun noch mehr Gravitationswellen finden, noch stärkere, noch schwächere, noch entferntere Quellen.

Doch der ganz große Wurf wäre die Entdeckung jener Gravitationswellen, die laut Berechnungen beim Urknall hätten entstehen müssen. Auch sich umkreisende Neutronensterne, weiße Zwerge und Supernovae erzeugen Gravitationswellen. In etwa so dürften Gravitationswellen einander umkreisender Neutronensterne aussehen.

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Bisher wurden auch schon Gravitationswellen gefunden, die Neutronensterne als Ursprung haben, jedoch eher selten. Mit einem Gravitationswellendetektor im Weltraum könnten diese Entdeckungen zur Routine werden.

Das Prinzip

Nun nimmt der Gravitationswellendetektor im Weltall langsam Konturen an, er soll Laser Interferometer Space Antenna heißen und aus drei Satelliten bestehen, die gemeinsam ein Dreieck mit 2,5 Millionen Kilometern Seitenlänge bilden und der Erde auf ihrer Umlaufbahn um die Sonne in 70 Millionen Kilometern Entfernung folgen.

Sie kommunizieren mit Lasern untereinander und decken somit einen viel größeren Bereich ab. Eine Gravitationswelle muss dann schließlich nur irgendwo in diesen 2,5 Millionen Kilometern erscheinen und nicht innerhalb weniger Kilometer auf der Erde – die Anzahl der Entdeckungen würde regelrecht explodieren.

Zudem lassen sich auch deutlich niedrigere Frequenzbereiche abdecken, wir könnten somit auch ganz neue Arten von Gravitationswellen entdecken, etwa verursacht durch weiße Zwerge – bisher entziehen sich diese unserer Beobachtung.

Des weiteren gibt es im All natürlich keine seismischen Störungen, die auf der Erde die Entfernung viel stärker beeinflussen als Gravitationswellen und somit mühsam gefiltert werden müssen. Auch menschliche Aktivitäten stören die Messungen auf der Erde, im Weltraum fallen diese weg.

Testmission LISA Pathfinder

Die Pläne für diesen Gravitationswellendetektor liegen sowohl bei der US-amerikanischen Weltraumbehörde NASA, als auch bei der europäischen Raumfahrtorganisation ESA seit Jahrzehnten in den Schubladen, doch nun haben NASA und ESA ihre Pläne gebündelt.

Teil der Budgeterweiterung der ESA nach der LIGO-Entdeckung war eine Testsonde, die das Prinzip austesten sollte und den Namen LISA Pathfinder trägt. Dabei soll die Technologie allerdings in einer kräftefreien Umgebung getestet werden, also nicht im Erdorbit, sondern im Lagrange-Punkt L1, das ist der Punkt, an dem sich die Gravitationsfelder von Erde und Sonne aufheben.

Der Start dieses Satelliten fand 12.015 HE statt, dort wurde zwar lediglich eine Strecke von 30 Zentimetern gemessen und es wurden – wie erwartet – keine Gravitationswellen in diesem kleinen Bereich gefunden. Dafür konnte aber der Einschlag von Partikeln auf der Sonde registriert werden, die erwartete Präzision wurde um das fünffache übertroffen.

Dies machte den Weg frei für LISA, das erste große Gravitationswellenobservatorium im All und überhaupt das größte Observatorium der Menschheitsgeschichte. Der Start ist nun für 12.034 HE geplant.

Bahnbrechende Erkenntnisse erwatet

Gravitationswellen sind eine ganz neue Art, Astronomie zu betreiben, denn derzeit sind wir meist von Strahlung abhängig, wenn wir Objekte beobachten. Wir spähen in allen Wellenlängen ins All, wir haben Infrarotobservatorien, Teleskope für den sichtbaren Bereich, Gammaastronomie und ultraviolette Beobachtungswerkzeuge. Doch 99% der Materie im Universum emittiert gar keine Strahlung.

Sie macht sich nur durch Gravitation bemerkbar, dazu gehört auch die rätselhafte Dunkle Materie, für die bis heute jede Erklärung fehlt. LISA wäre somit womöglich eine der größten Revolutionen der modernen Astronomie.

Erstmals werden wir Objekte in einem sehr großen Teil des beobachtbaren Universums erforschen, wir gehen also fast so weit, wie es theoretisch geht. Ein Blick in so große Entfernung ist natürlich auch ein Blick in die Vergangenheit, denn wie auch das Licht benötigen Gravitationswellen Zeit, um eine Strecke zurückzulegen.

Ein zehn Milliarden Lichtjahre entferntes Objekt nehmen wir so wahr, wie es vor zehn Milliarden Jahren war. Das bedeutet, wir blicken in die Frühzeit des Kosmos zurück. Doch womöglich könnten wir mit dem Gravitationswellendetektor auch erstmals bis zum Moment des Urknalls zurückschauen, denn auch bei diesem Ereignis müssten natürlich heftige Gravitationswellen erzeugt worden sein.

Besonders soll der Gravitationswellendetektor das Sternsystem HM Cancri unter die Lupe nehmen, das sind zwei einander extrem nah umkreisende weiße Zwerge. Sie umkreisen sich so nahe, dass sie sich pro Jahr um über einen halben Meter näher kommen. Man vermutet Gravitationswellen als Ursache dafür.

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DAS DOPPELSTERNSYSTEM HM CANCRI: DIE BEIDEN WEISSEN ZWERGE UMKREISEN SICH ALLE 321,5 SEKUNDEN!

Durch Gravitationswellen verliert ein Körper Bahnenergie, somit würde auch die Erde durch die Abgabe Gravitationswellen irgendwann in die Sonne stürzen. Im Falle der Erde würde es Trillionen von Jahre dauern, bis die Erde der Sonne auch nur ein kleines Stück näher käme. Die Annäherung ergibt sich durch diese zugegebenermaßen etwas Formel, t ist dabei die Zeit bis zur Kollision.

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Sollte LISA nun keine Gravitationswellen bei HM Cancri finden, wäre das eine Sensation, denn dann ergäbe sich das erste Mal eine Differenz zwischen Einsteins Relativitätstheorie und astronomischen Beobachtungen. LISA kann also auch als Test für die Fundamente der modernen Physik dienen.

LISA ist dabei das erste Observatorium, welches Gravitationswellen weißer Zwerge aufspüren könnte. Und noch einiges mehr:

  • Detektion von Gravitationswellen mit deutlich geringeren Frequenzbereichen
  • Detektion von Gravitationswellen, die durch weiße Zwerge und Supernovae verursacht wurden
  • Detektion von Gravitationswellen supermassiver Schwarzer Löcher in einem großen Teil des beobachtbaren Universums
  • Genauere Untersuchung des Sternsystems HM Cancri
  • Suche nach Gravitationswellen, die beim Urknall entstanden sind

Es geht also um nichts Geringeres als um die Suche nach der Weltformel und den Beweis unserer Vorstellung vom Urknall und der Zeit danach.

Umsetzung noch unklar

Doch noch ist nicht klar, ob der Gravitationswellendetektor wirklich umgesetzt wird. Zunächst lag LISA im Cosmic-Vision-Programm der ESA vor, das sind Medium-Class-Missionen. Hier bekam der Jupiter Icy Moons Explorer den Vorzug, eine Raumsonde, die an den Eismonden des Jupiters vorbeifliegen und dann in einen Orbit um Ganymed einschwenken soll.

Die ESA hat den Plan wieder aufgenommen, die Beteiligung der NASA ist jedoch unsicher, aus dem ursprünglichen Projekt zog sie sich vorzeitig zurück. Rein technologisch wäre ein Start im Jahr 12.034 HE, wie er derzeit anvisiert wird, in jedem Fall machbar.

Inzwischen wurde der Gravitationswellendetektor zu einer Large-Class-Mission umstrukturiert, 12.018 HE wurde das gesamte Konzept geprüft, was außerordentlich positiv ausfiel.

Somit ist es durchaus möglich, dass wir vielleicht in gar nicht so ferner Zukunft, feiern, dass unsere Theorie unvollständig ist – denn das würde auf eine viel umfassendere Theorie hindeuten, die uns ein vollständiges Verständnis unseres Universums liefert und vielleicht so exotisch ist, dass wir sie uns derzeit nicht einmal vorstellen können – und das alles nur durch ein Gravitationswellendetektor.

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